Vibrationsprovning. Kvalitetssäkring av vibrationskänsliga komponenter

Transkript

1 skräddarsydd efter analys av fältmätdata. UTMIS vårmöte Martin Olofsson Durability & Reliability Kvalitetssäkring av vibrationskänsliga komponenter Fler och fler mer eller mindre vibrationskänsliga (el-) komponenter monteras på vibrerande strukturer på våra bilar. Vibrationer kan ge upphov till kvalitetsproblem p.g.a. utmattning och fretting. Komponentprovning på en enaxlig vibrator, utförd tidigt i projektet, är en väsentlig del av kvalitetssäkringen för en sådan komponent.

2 Kvalitetssäkring av vibrationskänsliga komponenter Kvaliteten och utvecklingstiden för en bil beror mycket på hur vi kravsätter komponenter från våra underleverantörer. För kostnadseffektiva elektriska system utnyttjas standardkomponenter (ej Volvounika) i stor utsträckning. Sådana komponenter är normalt redan provade enligt en befintlig vibrationsspecifikation. Utmaningen Utmaningen i att ställa rätt vibrationstålighetskrav på komponenter: Hur bryter du ner systemkravet till komponentnivå? Hur tar du hänsyn till att vibratorerna som de flesta komponenter provas på bara kan drivas med förenklade random- eller sinusvibrationer och, dessutom, enbart i en riktning (åt gången)? Baserat på en vibrationsspecifikation för en standardkomponent; kan du godkänna dess funktion i en specifik tillämpning, med känd (uppmätt) vibrationsmiljö, utan ytterligare komponentprovning?

3 Utmaningen är antagen På har vi de senaste åren samlat erfarenhet om en lämplig metod för att beskriva en godtycklig, verklig vibrationsmiljö på ett enkelt format, som ändå är väldigt informativ om vibrationsmiljöns skadepotential för en utsatt komponent: Lalannes metod. Fatigue Damage Spectrum Lalannes metod är särskilt lämplig för omvandling av en observerad vibrationsmiljö till en kravbeskrivning, i form av en skräddarsydd specifikation för ett vibrationsprov. Maximum Response Spectrum The Lalanne approach För strukturdynamiskt okänt provobjekt lämpar sig Lalannes analysmetod bra, där exciteringsvibrationens skadepotential kvantifieras som MRS och FDS genom att beräkna påverkan på fiktiva SDOF-system. Därmed förutsätts att ex. utmattning orsakas av resonanssvängning (eller påtvingade vibrationer i olika egenmoder). Oberoende, endimensionell analys av tre vibrationsriktningar. Specifikation av efterföljande prov med olika exciteringsriktning, för att möjliggöra prov på enaxlig vibrator.

4 Definition av MRS och FDS Idén kan jämföras med användingen av stötspektrum, SRS Skadepotential bedöms efter exciteringens, a(t), påverkan på fiktiva SDOF-system med olika egenfrekvenser, f i =f 1 +i f i=0,1,2,,n f = i ki m i a(t) m i k i c i z i (t) Definition av MRS och FDS, forts Följande steg utförs för varje SDOF-system (f i ): Relativrörelsen z i (t) (responsen) beräknas MRS MRS(f i ) = max 0< t<t ( z i (t) ) FDS Rainflow-cykler extraheras ur z i (t) FDS(f i ) = delskada beräknad med linjär delskadeteori (Palmgren-Miner) f = i m i ki m i a(t) k i c i z i (t)

5 Fatigue Damage Spectrum log S S k N. Sb = Ab Response f1 f2 f3 f4 f5 n k N k Wöhler curve log N FDS D 2 Q factor Input a(t) D i = k n k N k Miners rule D 1 D 3 D 4 D 5 f1 f2 f3 f4 f5 Resonance frequency Tolkning av funktionerna MRS beskriver exciteringens skadepotential avseende enstaka extrema påkänningar (jmf. frekvensanalysens peak-hold spektrum). FDS beskriver exciteringens skadepotential avseende ackumulerande skada (utmattning). Dessa funktioner kompletterar varandra, då MRS enbart bestäms av exciteringsnivån medan FDS dessutom bestäms av exponeringstiden.

6 Syfte Verktyg för att jämföra en simulerad vibrationsexcitering med uppmätt, m.a.p. vibrationstålighet. approximativ beskrivning av exciteringsmiljö kännedom om utsatt struktur inte nödvändig datareduktion, sammanvägning av olika miljöer relevant simulering med kortare exponeringstid relevant simulering med enkel lastbeskrivning lägre krav på testutrustning mindre beräkningstid vid virtuell provning Tankefel Observera att resultaten FDS och MRS inte ger information om livslängden eller maxspänningen för en komponent. De utgör bara en beskrivning av exciteringsvibrationer.

7 Skadeekvivalent brus Från FDS kan ett PSD beräknas för ett approximativt skadeekvivalent brusexcitering. Jämförelse av MRS används dessutom för att välja rätt kombination av PSD-nivå och provtid. Stationärt brus är vanligt vid vibratorprovning. Stationärt brus ger snabba beräkningsresultat vid virtuell provning. Förutsättningar & begränsningar Exciterad struktur är linjär med måttlig dämpning verklig modrespons antas vara proportionell mot z r (t) (eller spänning i SDOF-systemets fjäder) Skadeekvivalens enligt linjär delskadeteori Dämpning och Wöhlerlutning måste ansättas Eventuella avvikelser har dock mindre betydelse vid jämförelse av exciteringar känslighetsanalys möjlig med olika värden Information om exciteringens förmåga att excitera två resonanser samtidigt saknas

8 Styrkor och svagheter + analys i tidsdomänen - ingen begränsning i vibrationens komplexitet (t.ex. stationaritet). + accelererad provning ingår - de lindrigare miljöerna skalas upp till nivån för den värsta miljön. + komponentoberoende. - ingen information om responsvibrationer på komponenten. - oberoende, endimensionell analys Alternativ Exakt återgivning av uppmätt tidssignal; ingen datareduktion - mest skadeekvivalent, stora krav på testutrustning, overkill när mätdata utgör ett begränsat utfall av en stokastisk och/eller individberoende vibrationsmiljö och i synnerhet vid enaxlig provning. Beskrivning av excitering med frekvensanalys; enbart för stationära vibrationer.

9 Osäkerhet och säkerhetsfaktor Några osäkerheter som motiverar strängare krav, jämfört med uppmätta miljöer: Vibrationerna skiljer sig från produkt till produkt. Mätningar utförs på enstaka produkter, medan kravet ska representera en extrem produkt. Provfixturens inverkan förändrar påkänningarna under provet, jämfört med påkänningarna i fält. Ett begränsat antal provobjekt. Eftersom alla provobjekt av samma komponent är olika (speciellt mikrostrukturellt) skiljer sig livslängden, givet samma last (vibrationsmiljö). En stor osäkerhet när vibrationsrespons inte kontrolleras I verkligheten utsätts generellt provobjekten för en tredimensionell vibration. Beroende på graden av korrelation mellan de uppmätta vibrationskomposanterna kan en säkerhetsfaktor på 1,7-3 (!) i amplitudnivå motiveras för enaxliga prov. Motivationen bygger på att responsen i någon skadlig resonanssvängning kan vara lika stor när var och en av exciteringskomposanterna ansätts var för sig, medan den skulle kunna vara upp till 3 ggr större när effekterna av komposanterna superponeras linjärt.

10 Exempel på värsta fallet Kritisk sinusexcitering längs en linje i rymden, med komposanter enligt pilarna (full korrelation) Riktningskänslighet; typiska FRF:er för olika exciteringsriktningar Hur konservativ måste man vara? Är det rimligt att enaxlig provexcitering måste överskrida uppmätta vibrationer med en faktor som är fyra i MRS? eller faktorn 4 b /3 i FDS? Hur sannolikt är värsta fallet?

11 Lösning Mät vibrationsrespons i fält och kontrollera den i provlabbet, så länge det är möjligt att fånga upp skadekritiska modresponser. Glöm allt tjat om tailoring. Gå tillbaka till standardexciteringar. (njaeä ) eller Alternativ lösning Utred konsekvenserna av riktningsproblematiken med statistisk analys. fältmätdata korrelationsanalys konfidensgrad statistisk modell säkerhetsfaktor

12 Några idéer Räkna ut MRS och FDS för fler riktningar än tre; ett sätt att fånga upp korrelationen utnyttja resultatet genom att välja provriktningar efter värsta och lindrigaste riktningarna = minska variansen i modellen Stratifiera modellen i olika klasser, med olika kombinationer av riktningskänslighet för en okänd resonans.